KR20000052848A - Quadaxial gradient index lens - Google Patents

Quadaxial gradient index lens Download PDF

Info

Publication number
KR20000052848A
KR20000052848A KR1019990703682A KR19997003682A KR20000052848A KR 20000052848 A KR20000052848 A KR 20000052848A KR 1019990703682 A KR1019990703682 A KR 1019990703682A KR 19997003682 A KR19997003682 A KR 19997003682A KR 20000052848 A KR20000052848 A KR 20000052848A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lens
biaxial
spot
refractive index
light
Prior art date
Application number
KR1019990703682A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100295535B1 (en
Inventor
뎀프울프죠셉알
웨이드로버트케이
Original Assignee
라이트패스 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 라이트패스 테크놀로지스 인코포레이티드 filed Critical 라이트패스 테크놀로지스 인코포레이티드
Publication of KR20000052848A publication Critical patent/KR20000052848A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100295535B1 publication Critical patent/KR100295535B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/0087Simple or compound lenses with index gradient
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators

Abstract

PURPOSE: A lens is provided which has the ability to gather and focus light to a spot with a minimum of spherical aberration and with a substantially uniform distribution of light intensity from center to periphery of the spot, in particular, a square spot size. CONSTITUTION: An axially-based lens is provided, comprising two biaxial elements(66,68), each having entrance and exit surfaces(18,20). The exit surface(20) of one(66) of the elements is joined to the entrance surface of the other element(68), with one of the elements rotated at an angle with respect to the other. In a preferred embodiment, the angle of rotation is 90°. The axially-based lens thus comprises four axial sub-elements, and is called a "quadaxial" lens herein. The axially-based lens element has the ability to gather and focus light to a spot with a minimum of spherical aberration and with a substantially uniform distribution of light intensity from center to periphery of the spot. In a preferred embodiment, the lens element focuses light to a square spot size.

Description

4축 구배 굴절률 렌즈{QUADAXIAL GRADIENT INDEX LENS}4-axis gradient refractive index lens {QUADAXIAL GRADIENT INDEX LENS}

커플러는 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 광섬유 또는 다른 광원과 같은 광원을 포토 검출기, 광섬유, 광전자 칩, 광섬유 등과 같은 수광기에 연결하기 위한 광 소자이다.A coupler is an optical element for connecting a light source such as a laser diode, a light emitting diode, an optical fiber or another light source to a light receiver such as a photo detector, an optical fiber, an optoelectronic chip, an optical fiber, or the like.

종래 기술의 커플러는 (1) 동종 글라스 렌즈, (2) 반경방향 분배 굴절률 글라스 실린더 또는 로드를 포함한다. 동종 글라스 렌즈는 공기층을 필요로하고, 낮은 수치의 구멍 또는 수광 값을 가지며, 그 결과 커플링 렌즈상에 입사되는 광 보다 광이 수광기에 덜 전달된다. 또한, 동종 글라스 또는 플라스틱 렌즈는 수차를 교정할 수 없으며, 그에 따라 구형 표면이 렌즈상에 형성되지 않는 한 비효율적인 커플링이 야기된다. 마지막으로, 광을 충분하게 연결시키기 위해서는 다중 소자가 필요하다.Prior art couplers include (1) homogeneous glass lenses, (2) radially distributed refractive index glass cylinders or rods. Homogenous glass lenses require an air layer and have low numerical apertures or light receiving values, so that less light is transmitted to the receiver than light incident on the coupling lens. In addition, homogeneous glass or plastic lenses cannot correct aberrations, resulting in inefficient coupling unless a spherical surface is formed on the lens. Finally, multiple devices are needed to fully connect the light.

반경방향 분배 굴절률 글라스 실린더 렌즈는 평평한 표면의 기능을 하고 렌즈 사출 표면에서 광을 초점을 맞추며, 이에 의해 동종 글라스 렌즈의 문제점중 하나를 극복한다. 더우기, 반경방향 분배 굴절률 글라스 실린더 렌즈는 단일 광 콤포넌트를 포함하며, 이에 의해 동종 글라스 렌즈의 다른 문제점을 극복한다. 그러나, 이들 반경방향 분배 굴절률 글라스 실린더 렌즈는 작은 초점을 형성할 수 없어서, 비효율적인 커플링 성능을 야기시킨다. 커플링 성능이 렌즈의 사출 표면상의 구부러진 표면을 형성함으로써 개선될 수 있는 반면에, 평평한 표면의 장점이 상실되며 공기층이 커플링 기구내로 도입된다.The radially distributed refractive index glass cylinder lens functions as a flat surface and focuses light at the lens exit surface, thereby overcoming one of the problems of homogeneous glass lenses. Furthermore, the radially distributed refractive index glass cylinder lens comprises a single light component, thereby overcoming other problems of homogeneous glass lenses. However, these radially distributed refractive index glass cylinder lenses cannot form small focal points, resulting in inefficient coupling performance. Coupling performance can be improved by forming a curved surface on the exit surface of the lens, while the advantages of the flat surface are lost and an air layer is introduced into the coupling mechanism.

작동시에, 반경방향 로드 렌즈는 입사광이 초점으로 개시되며, 다음에 로드에 존재할 때까지 이미지가 분산되거나, 재초점형성 등이 이뤄진다. 광이 로드의 직경을 가로질러 입사되는 경우의 문제점은 초점에 대한 거리가 얼마인가를 결정하는 것이다. 즉, 중간 레이는 물질을 통해 더 길게 이동시켜 외부 또는 가장자리 레이보다 동일한 파워 효과를 느끼게 되어, 이들 레이는 가장자리(극한) 레이보다 상이한 위치에서 초점을 맞추게 된다. 제 1 초점의 영역에서, 비임 분산은 다른 길이만큼 나쁘지 않지만 스폿 사이즈는 더욱 매우 크게 된다. 큰 스폿 사이즈는 수차로 인한 것이며, 이로인해 구부러진 사출 표면 또는 적어도 하나의 부가적인 렌즈 소자를 교정할 필요가 있다.In operation, the radial rod lens starts incident light into focus, and then the image is dispersed, refocused, or the like until it is present in the rod. The problem when light is incident across the diameter of the rod is to determine what is the distance to the focal point. In other words, the intermediate rays travel longer through the material and feel the same power effect than the outer or edge rays, so that these rays are focused at different locations than the edge (extreme) rays. In the area of the first focal point, the beam dispersion is not as bad as the other lengths but the spot size becomes much larger. The large spot size is due to aberrations, which necessitates correcting the curved exit surface or at least one additional lens element.

2축방향 렌즈로서 공지된 구배 광 소자는 1995년 3월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제 08/400, 804 호에 개시되어 있다. 이러한 2축방향 렌즈는 광학 재료로 형성되며, 평면-평면 입사 및 사출 표면과, 이들 사이의 광축을 갖고 있다. 광학 재료는 광축을 포함하는 중심 평면을 중심으로 대칭으로 변화하는 굴절률을 가지며, 상기 굴절률은 중심 평면에 평행한 방향으로 실질적으로 일정하다.Gradient optical elements known as biaxial lenses are disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 400,804, filed March 8, 1995. This biaxial lens is formed of an optical material and has a plane-plane incidence and exit surface and an optical axis therebetween. The optical material has a refractive index that varies symmetrically about a central plane including the optical axis, the refractive index being substantially constant in a direction parallel to the central plane.

2축방향 렌즈는 제 1 표면으로부터 제 2 표면까지 굴절률의 구배를 가진 서브소자를 먼저 형성함으로써 제조되며, 양 표면은 입사 및 사출 표면과 직각을 이루고 있다. 서브소자의 모든 표면은 평평하다. 따라서, 서브소자는 보다 낮은 값(L)에서 개시되고 보다 높은 값(H)에서 종료되는 굴절률의 구배를 갖는다. 이러한 2개의 서브소자는 낮은 굴절률 표면이나 높은 굴절률 표면을 따라서 함께 결합되어, 고-저-고(H-L-H) 형태 또는 저-고-저(L-H-L) 형태를 각기 형성한다. 이러한 2축방향 렌즈는 선형 초점을 형성하도록 원통형 렌즈 대신에 사용된다.Biaxial lenses are manufactured by first forming a subelement having a gradient of refractive index from the first surface to the second surface, both surfaces being perpendicular to the incident and exit surfaces. All surfaces of the subelements are flat. Thus, the subelement has a gradient of refractive indices that starts at a lower value L and ends at a higher value H. These two sub-elements are joined together along a low or high refractive index surface to form a high-low-high (H-L-H) form or a low-high-low (L-H-L) form, respectively. Such biaxial lenses are used instead of cylindrical lenses to form a linear focus.

따라서, 최소의 수차와, 스폿의 중앙으로부터 주변부까지 실질적으로 일정한 광 분포를 갖는 스폿으로 광을 수집하고 광을 초점을 맞출 수 있는 렌즈가 필요하게 되었다. 특히, 사각형 스폿 사이즈가 필요하게 되었다.Therefore, there is a need for a lens that can collect light and focus light into a spot having minimal aberration and a substantially constant light distribution from the center to the periphery of the spot. In particular, a square spot size is needed.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명에 따르면 2개의 2축방향 소자를 포함하는 축방향에 의거한 렌즈가 제공되며, 각 소자는 굴절률 구배와 직각을 이루는 입사 및 사출 표면을 구비한다. 소자중 하나의 사출 표면은 다른 소자의 입사 표면에 결합되며, 소자중 하나는 다른 소자에 대해서 일정 각도로 회전된다. 바람직한 실시예에 있어서, 회전각은 90°이다. 따라서, 축방향에 의거한 렌즈는 4개의 축방향 서브소자를 포함하며, 본 명세서에 있어서 "4축방향(quadaxal)" 렌즈라고 한다.According to the present invention there is provided an axially based lens comprising two biaxial elements, each element having an entrance and exit surface perpendicular to the refractive index gradient. The exit surface of one of the devices is coupled to the entrance surface of the other device, and one of the devices is rotated at an angle with respect to the other device. In a preferred embodiment, the rotation angle is 90 degrees. Thus, an axially based lens comprises four axial sub-elements, referred to herein as a "quadaxal" lens.

본 발명의 축방향에 의거한 렌즈 소자는 최소의 수차와, 스폿의 중앙으로부터 주변부까지 실질적으로 일정한 광 분포를 갖는 스폿으로 광을 수집하고 광을 초점을 맞출 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 렌즈 소자는 사각형 스폿 사이즈를 형성한다.The lens element based on the axial direction of the present invention can collect light and focus light into a spot having a minimum aberration and a substantially constant light distribution from the center to the periphery of the spot. In a preferred embodiment, the lens elements form a square spot size.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조할 때 분명해지며, 도면에서 유사한 참조부호는 전체 도면을 통해 유사한 특징부를 가리킨다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent upon reference to the following detailed description and accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to similar features throughout the figures.

본 발명은 광 소자에 관한 것이며, 특히 축방향을 따라 굴절률의 구배를 갖는 서브소자를 포함하는 렌즈에 관한 것이다.The present invention relates to an optical element, and more particularly to a lens comprising a sub element having a gradient of refractive index along the axial direction.

본 설명에 참조하는 도면은 특별히 지적하지 않는 한 축척으로 도시한 것이 아님을 이해해야 한다.It is to be understood that the drawings referenced in this description are not to scale unless specifically indicated.

도 1a는 상술한 굴절률 변화를 갖는 종래 기술의 축방향 구배 렌즈를 도시한 도면,1A shows a prior art axial gradient lens having the above-described refractive index change,

도 1b는 도 1a에 도시된 축방향 구배 렌즈에 대한 예시적인 굴절률 프로파일을 도표로 도시하는 것으로 좌표는 굴절률과 두께로 되어 있는 도표,FIG. 1B graphically illustrates an exemplary refractive index profile for the axial gradient lens shown in FIG. 1A, with coordinates in the refractive index and thickness;

도 2a는 각 높은 굴절률 표면을 따라 결합된 2개의 축방향 렌즈 소자를 포함하는 종래 기술의 2축방향 구배 렌즈를 도시한 도면,FIG. 2A illustrates a prior art biaxial gradient lens comprising two axial lens elements coupled along each high refractive index surface; FIG.

도 2b는 도 2a에 도시된 2축방향 구배 렌즈에 대한 예시적인 굴절률 프로파일을 도표로 도시하는 것으로 좌표는 굴절률과 두께로 되어 있는 도표,FIG. 2B graphically illustrates an exemplary refractive index profile for the biaxial gradient lens shown in FIG. 2A, the coordinates being indices of refractive index and thickness, FIG.

도 2c는 각 낮은 굴절률 표면을 따라 결합된 2개의 축방향 렌즈 소자를 포함하는 종래 기술의 2축방향 구배 렌즈를 도시하는 도면,FIG. 2C shows a prior art biaxial gradient lens comprising two axial lens elements coupled along each low refractive index surface; FIG.

도 3a는 서로에 대해서 90°로 회전되고 단부끼리 결합된 두개의 2축방향 분배 콤포넌트를 포함하는 본 발명의 4축방향 분배 커플러 콤포넌트의 측면도,3A is a side view of a four axial dispensing coupler component of the present invention comprising two biaxial dispensing components rotated 90 ° with respect to one another and joined end to end;

도 3b는 도 3a에 도시된 4축방향 분배 커플러 콤포넌트의 평면도,FIG. 3B is a top view of the four axial distribution coupler component shown in FIG. 3A;

도 3c는 결과적인 라인 초점을 도시하는 것으로 제 1의 2축으로 분배 콤포넌트의 단면도,3c shows the resulting line focal point, a cross sectional view of the dispensing component on the first two axes,

도 3a는 평평한, 또는 평면인 표면의 사용으로부터 야기되는 결과적인 사각형 초점 스폿을 도시하는 것으로 도 3a 및 도 3b에 도시된 4축방향 분배 커플러 콤포넌트의 단면도,FIG. 3A illustrates the resulting rectangular focal spot resulting from the use of a flat or planar surface, a cross-sectional view of the four axial distribution coupler component shown in FIGS. 3A and 3B;

도 4a는 본 발명의 4축방향 분배 광학 소자를 형성하기 위해서 결합되기 전의 2개의 2축방향 분배 커플러 콤포넌트의 배향을 도시하는 사시도,4A is a perspective view showing the orientation of two biaxial distributing coupler components before being joined to form a four axial distributing optical element of the present invention;

도 4b는 도 4a에 도시된 2개의 2축방향 분배 커플러 콤포넌트를 함께 결합한 다음의 4축방향 분배 광학 소자의 사시도,FIG. 4B is a perspective view of a four axial distributing optical element after joining together the two biaxial distributing coupler components shown in FIG. 4A;

도 5a는 포물선형, 보다 정확하게는 원형 스폿 형태를 형성하도록 구부러진 사출 표면을 구비한 본 발명의 4축방향 렌즈를 도시한 도면,5A shows a four-axis lens of the present invention with an injection surface bent to form a parabolic, more precisely circular spot shape, FIG.

도 5b는 구부러진 사출 표면을 사용함으로써 이뤄진 결과적인 원형 스폿을 도시하는 것으로 도 5a에 도시된 4축방향 분배 커플러 콤포넌트의 단면도.FIG. 5B is a cross-sectional view of the four axial distribution coupler component shown in FIG. 5A showing the resulting circular spot made by using a curved injection surface. FIG.

본 발명을 실시하기 위해서 본 발명에 의해 현재 예측되는 최선의 모드를 도시하는 것으로 본 발명의 특정 실시예를 상세하게 참조한다. 또한, 간단하게 변형 실시예도 적용될 수 있도록 기술된다.Reference will now be made in detail to certain embodiments of the present invention in order to illustrate the best mode presently anticipated by the present invention for practicing the present invention. In addition, it is described simply that the modified embodiment can be applied.

때때로 종래 기술에서는 분포굴절률렌즈(GRIN 렌즈)라고 하는 굴절률 렌즈의 축방향 분포굴절률은 평글라스 슬랩이며, 아날로그 렌즈 어레이의 기능을 제공하는 사전설계된 굴절률 동요가 상기 평글라스 슬랩내에 있으며; 이러한 예는 피.케이.맨하르트(P.K. Manhart)의 "Optics and Photonics News(1995년 3월)"의 44페이지부터 47페이지에 개시되어 있다. 미국 뉴멕시코주 알부쿼퀴에 소재하는 라이트패스 테크놀로지스 인코포레이티드(LightPath Technologies, Inc.)로부터 입수할 수 있는 단일 축방향 굴절률 렌즈 제조 기술은 화상산업에 대혁명을 일으키기 시작했다. 렌즈는 GRADIUM(등록상표)로 입수가능하다.The axial distribution refractive index of the refractive index lens, sometimes referred to in the prior art as a distributed refractive index lens (GRIN lens), is a flat glass slab, with predesigned refractive index fluctuations within the flat glass slab that provide the function of an analog lens array; Such examples are disclosed on pages 44-47 of P.K.Manhart's "Optics and Photonics News (March 1995)." The single-axis refractive index lens manufacturing technology available from LightPath Technologies, Inc. of Albuquerque, New Mexico, USA, has revolutionized the imaging industry. The lens is available under GRADIUM®.

축방향 GRIN 렌즈 블랭크를 제조하는 것은 다른 것에 개시되어 있다. 예를 들면 미국 특허 제 4,929,065 호와, 1994년 7, 8월호의 시아지 제이. 쥬(Xiaojie J. Xu) 등이 소개한 것으로 미국 뉴욕주 로체스터에 소재하는 그래디언트 인덱스 옵티칼 시스템스-토피칼 미팅(Gradient Index Optical Systems-Topical Meeting)에 의한 "Preparation of Macro Axial Gradient Refraction Glasses"라는 문헌이 있으며, 상기 문헌은 다수의 글라스판을 적층하는 것을 개시하고 있으며, 각 글라스판은 충분히 높은 온도에서 복합체의 소자의 상호흐려짐이 야기되게 초점이 형성되는 적층체를 형성하도록 상이한 복합체로 되어 있어서, 단일체 글라스 본체를 형성한다. 선형, 포물선형, 사각형, 정육면체 등인 것에 따라서 굴절률의 특정 프로파일은 개별 글라스판의 두께와 굴절률(콤포지션)을 제어함으로써 성취될 수 있다. 따라서, 상기 미국 제 4,929,065 호에 개시된 바와 같이 판 두께 및 굴절률을 계산함으로써 소망하는 프로파일을 형성할 수 있다.Producing an axial GRIN lens blank is disclosed elsewhere. See, for example, U.S. Patent No. 4,929,065 and Siaji J. of July, August, 1994. Xiaojie J. Xu et al., Entitled "Preparation of Macro Axial Gradient Refraction Glasses" by the Gradient Index Optical Systems-Topical Meeting in Rochester, NY, USA The document discloses stacking a plurality of glass plates, each glass plate being of a different composite to form a stack in which the focus is formed so as to cause mutual blur of the elements of the composite at a sufficiently high temperature. Form a glass body. Specific profiles of the refractive index, such as linear, parabolic, square, cube, etc., can be achieved by controlling the thickness and the refractive index (composition) of the individual glass plates. Thus, the desired profile can be formed by calculating the plate thickness and refractive index as disclosed in US Pat. No. 4,929,065.

다른 접근 방법으로는, 유리 혼합물을 사용하여 렌즈 블랭크를 형성할 수도 있다. 이러한 경우에, 소망하는 프로파일은 특정 굴절률(콤포지션)을 가진 혼합물의 중량에 의거하여 제조될 수 있다. 특정 글라스 콤포지션의 밀도를 알면 판 두께를 중량으로 전환할 수 있다. 이러한 방법은 1995년 5월 15일자 미국 특허 출원 제 08/441,275 호의 요지이며, 상기 특허 출원은 본 출원인에게 양도되었다.Alternatively, the glass mixture may be used to form the lens blank. In this case, the desired profile can be produced based on the weight of the mixture with a certain refractive index (composition). Knowing the density of a particular glass composition allows the thickness of the plate to be converted to weight. This method is the subject of US patent application Ser. No. 08 / 441,275, filed May 15, 1995, which was assigned to the applicant.

유리판 또는 유리 혼합물을 시간 주기 동안 충분히 높은 온도로 가열함으로서 형성되는 단일체 유리 본체 또는 불르(boule)는 다수의 글라스 블랭크를 제공하도록 코어-드릴링되며, 다음에 렌즈를 제공하도록 그라인딩 및 연마된다. 평면, 오목면 및 볼록면과 이들의 조합체를 포함해서 다양한 렌즈 표면으로 형성될 수 있다.The monolithic glass body or boule formed by heating the glass plate or glass mixture to a sufficiently high temperature for a period of time is core-drilled to provide multiple glass blanks and then ground and polished to provide a lens. It can be formed from a variety of lens surfaces, including planar, concave and convex surfaces and combinations thereof.

도 1a 및 도 1b는 축(116)에 따른(단면을 따라) 굴절률의 변화의 개략도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 글라스 블랭크(110)는 저 굴절률 면(112) 및 고 굴절률 면(114)을 갖고 있다. 블랭크(110)의 면(112)은 적층체에서 가장 낮은 굴절률을 가진 재료로 형성되며, 대향 면(114)은 가장 높은 굴절률을 가진 물질로 형성된다. 굴절률은 2개의 면(112, 114) 사이에서 상술한 몇몇 형태로 변화한다. 바람직하게, 프로파일은 포물선형이다. 프로파일의 예는 절반 포물선형 곡선(118)인 것으로 도 1b에 도시되어 있다.1A and 1B are schematic diagrams of changes in refractive index along the axis 116 (along the cross-section). As shown in FIG. 1A, the glass blank 110 has a low refractive index face 112 and a high refractive index face 114. The face 112 of the blank 110 is formed of a material having the lowest refractive index in the stack, and the opposing face 114 is formed of a material having the highest refractive index. The refractive index varies between the two faces 112 and 114 in some of the forms described above. Preferably, the profile is parabolic. An example of a profile is shown in FIG. 1B as being a half parabolic curve 118.

다음 단계는 글라스 블랭크(110)의 각기 낮고 그리고 높은 굴절률 면(112, 114)을 조심스럽게 배향, 그라인딩 및 연마하는 것이다. 또한, 구배 굴절률 프로파일과 같은 광학 특성은 이러한 단계를 동안에 통상적으로 측정된다.The next step is to carefully orient, grind, and polish the low and high refractive index faces 112, 114 of the glass blank 110, respectively. In addition, optical properties such as gradient refractive index profiles are typically measured during this step.

이후에, 블랭크(110)는 등굴절률 평면에 대해 수직으로 2개의 부분으로 절단된다. 2축방향 소자를 제조하기 위해서, 2개의 부분은 함께 결합되며, 그들의 높은 굴절률 면(114) 또는 낮은 굴절률 면(112)은 접합된다. 그러나, 표면이 결합되기 전에, 이들 표면은 연마되어 약간 오목하게 되는 것이 바람직하다. 약 4㎠의 표면에 있어서, 녹색광을 가진 광학 평면상에서 10개 링으로 도시된 곡률이 이러한 목적으로 위해 수용가능하다. 표면이 연마된 후에, 표면은 10분 동안 초음파 메탄올 조에서 세정되고, 미네랄 침전물을 제거하기 위해 증류수로 세정되고, 그 후에 함께 융합하도록 이들을 가열하여 유지될 수 있다. 선택적으로, 2개의 표면은 적당하게 정합된 굴절률을 가진 광학 접합제를 이용하여 함께 결합될 수 있다.Thereafter, the blank 110 is cut into two portions perpendicular to the isoindex plane. To produce a biaxial element, the two parts are joined together and their high index face 114 or low index face 112 are joined. However, it is desirable that these surfaces be polished and slightly concave before the surfaces are joined. For a surface of about 4 cm 2, the curvature shown by ten rings on the optical plane with green light is acceptable for this purpose. After the surfaces have been polished, the surfaces can be cleaned in an ultrasonic methanol bath for 10 minutes, cleaned with distilled water to remove mineral deposits, and then heated and maintained to fuse them together. Optionally, the two surfaces can be joined together using an optical binder with a suitably matched refractive index.

원통형 구배 렌즈(140)는 렌즈의 광축(152)에 직교하는 하나의 축(150)을 따라서만 구배 굴절률을 갖고 있다. 렌즈(120)는 평평한 전방 및 배면 표면(142, 144)을 구비하며, 2차원 이미지(146)에서 직선(148)으로 광을 초점을 맞추는 원통형 렌즈로서 작동할 수 있다.The cylindrical gradient lens 140 has a gradient refractive index only along one axis 150 orthogonal to the optical axis 152 of the lens. Lens 120 has flat front and back surfaces 142, 144 and can act as a cylindrical lens that focuses light with straight line 148 in two-dimensional image 146.

높은 굴절률 면(114)이 결합된다면, 결과적인 블럭(120)은 높은 굴절률을 가진 물질의 중앙 영역(122)을 갖고 있다. 이러한 중앙 영역(122)으로부터, 굴절률은 블럭(120)의 단부(124)쪽으로 감소된다. 블럭(120)의 폭을 가로질러 결과적인 굴절률 프로파일은 도 2b에서 곡선(126)으로 도시되어 있다. 기대할 수 있는 이러한 곡선(126)은 도 1b에 도시된 2개 곡선(118)의 조합이다. 블럭(120)이 도 2a에서의 라인(148)과 같은 라인으로 광을 초점을 맞추는 원통형의 축방향 분배 렌즈로서 작동하도록 하기 위해서, 굴절률 프로파일의 곡선(126)은 실질적으로 2차곡면 또는 포물선형이여야 한다. 그러나, 다른 프로파일 형상이 다른 분야에서 또한 사용될 수 있다.If the high refractive index face 114 is combined, the resulting block 120 has a central region 122 of material with high refractive index. From this central region 122, the refractive index is reduced towards the end 124 of the block 120. The resulting refractive index profile across the width of block 120 is shown by curve 126 in FIG. 2B. This curve 126 can be expected is a combination of the two curves 118 shown in FIG. 1B. In order for the block 120 to act as a cylindrical axial distribution lens focusing light in a line such as line 148 in FIG. 2A, the curve 126 of the refractive index profile is substantially quadratic or parabolic. Should be However, other profile shapes may also be used in other applications.

낮은 굴절률 면(112)이 결합된다면, 광학 물질의 결과적인 블랭크 또는 렌즈 블랭크(130)는 도 2c에 개략적으로 도시된 바와 같이 된다. 이러한 렌즈 블랭크(130)에 있어서, 중심 영역(132)은 가장 낮은 굴절률을 갖는 반면에, 외부 에지(134)는 바로 상술한 상황과 반대로 가장 높은 굴절률을 갖는다. 굴절률의 결과적인 프로파일은 도 1b에 도시된 2개의 곡선(118)의 조합이지만, 높은 굴절률 면(114)이 결합되는 경우와 반대이다. 의도하는 분야에 따라서, 프로파일은 2차곡면 또는 포물선형일 수 있다.If the low index face 112 is combined, the resulting blank or lens blank 130 of optical material becomes as schematically shown in FIG. 2C. In this lens blank 130, the central region 132 has the lowest refractive index, while the outer edge 134 has the highest refractive index as opposed to the situation just described. The resulting profile of the refractive index is a combination of the two curves 118 shown in FIG. 1B, but is the opposite of the case where the high refractive index face 114 is combined. Depending on the intended field, the profile may be quadratic or parabolic.

이제 도 3a 내지 도 3d, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 4축방향 분배 광 커플러(10)는 평면인 입사 표면(18) 및 평면인 사출 표면(20)과, 이들 사이의 광축(22)을 구비한 4축방향 분배 굴절률 소자를 포함한 단일 콤포넌트(24)이다. 4축방향 분배 굴절률 소자는 2개의 2축방향 분배 굴절률 서브소자(66, 68)를 포함한다. 각각의 서브소자(66, 68)는 일 표면상에서 보다 낮은 값(L)에서 개시하고 대향 표면상에서 보다 높은 값(H)에서 종료하는 구배 굴절률을 각기 갖는 2개의 축방향 분배 굴절률 서브-서브소자(56, 58, 156, 158)를 포함한다. 2개의 서브-서브소자(56, 58, 156, 158)는 보다 높은 굴절률 값을 가진 표면에서 함께 결합되며, 결합된 표면은 입사 및 사출 표면(18, 20)과 직각을 이루고 있다. 2개의 2축방향 분배 굴절률 서브소자(66, 68)는 하나의 서브소자(66)의 사출 표면(20')을 따라 다른 서브소자(68)의 입사 표면(18')에 함께 결합되며, 하나의 서브소자는 서브소자에 대해서 광축을 중심으로 90°회전된다. 2개의 서브소자를 결합하는 것에 대한 상세한 설명은 도 4a(결합되기 전) 및 도 4b(결합된 후)에 도시되어 있다.Referring now to FIGS. 3A-3D, 4A, and 4B, the four-axis distribution optical coupler 10 includes a planar incident surface 18 and a planar exit surface 20, with an optical axis 22 therebetween. It is a single component 24 comprising a four-axis distributed refractive index element with. The four-axis distributed refractive index element includes two biaxial distributed refractive index sub-elements 66 and 68. Each subelement 66, 68 has two axially distributed refractive index sub-subelements each having a gradient refractive index starting at a lower value L on one surface and ending at a higher value H on the opposite surface. 56, 58, 156, 158). The two sub-subelements 56, 58, 156, 158 are joined together at a surface having a higher refractive index value, the combined surfaces being perpendicular to the incident and exit surfaces 18, 20. Two biaxially distributed refractive index sub-elements 66, 68 are joined together along the exit surface 20 'of one sub-element 66 to the incident surface 18' of the other sub-element 68, one The subelement of is rotated 90 ° about the optical axis with respect to the subelement. A detailed description of combining two subelements is shown in FIGS. 4A (before combining) and 4B (after combining).

제 1 서브소자(66)를 통해 통과하는 광은 도 3c에 도시된 바와 같이 한정된 폭을 가진 라인(70)에 초점이 맞춰진다. 제 2 서브소자(68)를 통해 통과된 후에, 광은 도 3d에 도시된 바와 같이 라인(70)의 폭과 동일한 변 길이를 가진 사각형(72)에 초점이 맞춰진다. 결과적으로, 광원(12)으로부터의 출력은 대략 x 축 및 y축을 중심으로 대칭으로 된다.Light passing through the first sub-element 66 is focused on a line 70 having a finite width as shown in FIG. 3C. After passing through the second sub-element 68, the light is focused on a rectangle 72 having a side length equal to the width of the line 70 as shown in FIG. 3D. As a result, the output from the light source 12 is approximately symmetric about the x and y axes.

도 5a는 볼록한 구형 사출 표면(20")을 구비한 4축방향 렌즈를 도시한 것이다. 이러한 표면은 도 5b에 도시된 바와 같이 초점 스폿(72)을 둘러싼다.5A shows a four-axis lens with a convex spherical ejection surface 20 ". This surface surrounds the focal spot 72 as shown in FIG. 5B.

본 발명의 상술한 모든 렌즈에 있어서, 바람직한 프로파일은 포물선 프로파일이다. 사용된 Δn은 단지 보다 작은 Δn이 보다 큰 전체 렌즈 사이즈를 필요한 것을 제외하고 모든 적당한 수치일 수 있다.For all the lenses described above of the invention, the preferred profile is a parabolic profile. The Δn used may be any suitable value except that smaller Δn requires a larger overall lens size.

매우 중요한 부가적인 특징은 축방향 분배 굴절률 소자의 또는 소자 사이의 표면상에 회절 광 표면을 위치시켜서, 상술한 렌즈 형상의 광축을 따라 수차를 자유롭게 교정할 수 있는 부가적인 정도를 제공하고 및/또는 부가적인 치수의 상술한 렌즈를 통한 광의 초점 및/또는 시준을 행할 수 있게 한다는 것이다. 이러한 렌즈는 회절률 소자를 에폭시 재료의 물질내의 소정의 표면상에 위치시키고, 다음에 에폭시 재료의 굴절률과 상당히 다른 굴절률을 가진 광 소자를 구비한 2축방향 분배 굴절률 소자의 다른 축방향 분배 굴절률 소자에 접착됨으로써 형성된다.A very important additional feature is to position the diffracted light surface on the surface of the axially distributed refractive index element or between the elements to provide an additional degree of freedom to correct the aberration along the optical axis of the lens shape described above and / or To allow focusing and / or collimation of light through the lens described above in additional dimensions. This lens places the diffraction element on a predetermined surface in the material of the epoxy material, and then another axially distributed refractive index element of the biaxially distributed refractive index element with an optical element having a refractive index significantly different from that of the epoxy material. It is formed by adhering to.

이것은 광 경로 차이(OPD)를 변경시키지 않고 전환가능한 레이저의 결합을 허용하며, 2개 또는 그 이상의 방향, 즉 ① 광축을 통해, ② 광축으로부터 90°각도 및 ③ 상술한 회절 및/또는 홀로그래픽 광 소자를 이용함으로서 이뤄질 수 있는 광축에 대해 45° 각도에서 2개의 광원으로부터 동시에 광을 초점을 맞출 수 있게 한다.This allows for the combination of switchable lasers without altering the optical path difference (OPD), and in two or more directions: ① through the optical axis, ② at an angle of 90 ° from the optical axis, and ③ above described diffraction and / or holographic light The use of the device makes it possible to focus light simultaneously from two light sources at an angle of 45 ° to the optical axis which can be achieved.

부가적으로, 회절률이 광학적으로 투명한 신호 또는 초점 전환 기능을 제공하도록 조정될 수 있는 활성 물질이 상술한 렌즈에 부가될 수 있다.In addition, an active material can be added to the lens described above, in which the diffraction rate can be adjusted to provide an optically transparent signal or focus shift function.

4축방향 분배 광 소자는 광 강도의 높은 수치의 구멍 및 거의 일정한 분포가 바람직하고 그리고 구부러진 표면이 바람직하지 않은 공기층을 구비하거나 구비하지 않은 광의 수집, 초점을 맞추고 시준하고 연결하기 위한 다양한 분야에 사용할 수 있는 것으로 예상된다.The four-axis distribution optical element can be used in various fields for collecting, focusing, collimating and connecting light with or without air layers with high numerical apertures and near constant distribution of light intensity, and where the curved surface is undesirable. It is expected to be possible.

따라서, 4축방향 렌즈가 개시되었다. 본 기술 분야에 숙련된 자들은 자명한 성질의 다양한 수정 및 변경과, 이러한 모든 수정 및 변경이 첨부된 특허청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 영역내에 있다는 것으로 쉽게 이해할 수 있다.Thus, a four-axis lens has been disclosed. Those skilled in the art can readily appreciate that various modifications and alterations of obvious nature and all such modifications and variations are within the scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (9)

함께 연결된 제 1의 2축방향 소자 및 제 2의 2축방향 소자를 포함하는 4축방향 렌즈로서, 각 2축방향 소자는 광축과 직각을 이루는 입사 및 사출 표면을 구비하며, 상기 제 1의 2축방향 소자의 상기 사출 표면은 상기 제 2의 2축방향 소자의 상기 입사 표면에 결합되며, 상기 2축방향 소자중 하나는 상기 다른 2축방향 소자에 대해 회전되며, 상기 제 1의 2축방향 소자는 그 사출 표면에서 라인 초점을 형성하도록 구성되며, 상기 제 2의 2축방향 소자는 그 사출 표면에서 스폿 초점을 형성하도록 구성되어, 상기 4축방향 렌즈는 최소 수차와, 상기 스폿의 중심으로부터 주변부까지 실질적으로 일정하게 분포된 광 강도를 갖는 스폿에 광을 수집하고 초점을 맞추는A four-axis lens comprising a first biaxial element and a second biaxial element connected together, each biaxial element having an incidence and exit surface perpendicular to the optical axis, the first two The ejection surface of the axial element is coupled to the incident surface of the second biaxial element, one of the biaxial elements being rotated relative to the other biaxial element and the first biaxial direction The element is configured to form a line focus at its exit surface and the second biaxial element is configured to form a spot focus at its exit surface such that the 4-axis lens has a minimum aberration and from the center of the spot. To collect and focus light in a spot with a light intensity that is substantially uniformly distributed to the periphery 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광축은 굴절률 구배에 직각을 이루는The optical axis is perpendicular to the refractive index gradient 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1의 2축방향 소자는 상기 제 2의 2축방향 소자에 대해서 90°회전되는The first biaxial element is rotated 90 ° with respect to the second biaxial element. 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 사출 표면은 평면인The injection surface is planar 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제 1의 2축방향 소자는 제 1 Δn을 가지며, 상기 제 2의 2축방향 소자는 제 2의 그리고 상이한 Δn을 가지며, 이에 의해 상기 스폿은 장방형인The first biaxial element has a first Δn, and the second biaxial element has a second and different Δn, whereby the spot is rectangular 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제 1 및 제 2 Δn은 동일하며, 이에 의해 상기 스폿은 사각형인The first and second Δn are the same, whereby the spot is rectangular 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 사출 표면은 곡선인The injection surface is curved 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제 1의 2축방향 소자는 제 1 Δn을 가지며, 상기 제 2의 2축방향 소자는 제 2의 그리고 상이한 Δn을 가지며, 이에 의해 상기 스폿은 타원형인The first biaxial element has a first Δn, and the second biaxial element has a second and different Δn, whereby the spot is elliptical. 4축방향 렌즈.4-axis lens. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제 1 및 제 2 Δn은 동일하며, 이에 의해 상기 스폿은 원형인The first and second Δn are the same, whereby the spot is circular 4축방향 렌즈.4-axis lens.
KR1019997003682A 1996-10-31 1999-04-27 Quadaxial gradient index lens KR100295535B1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/739,859 US5796525A (en) 1996-10-31 1996-10-31 Quadaxial gradient index lens
US8/739,859 1996-10-31
US08/739,859 1996-10-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20000052848A true KR20000052848A (en) 2000-08-25
KR100295535B1 KR100295535B1 (en) 2001-08-07

Family

ID=24974068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019997003682A KR100295535B1 (en) 1996-10-31 1999-04-27 Quadaxial gradient index lens

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5796525A (en)
JP (1) JP2001503532A (en)
KR (1) KR100295535B1 (en)
TW (1) TW347474B (en)
WO (1) WO1998019187A1 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5953162A (en) * 1997-07-28 1999-09-14 Blankenbecler; Richard Segmented GRIN anamorphic lens
EP1298458B1 (en) * 2001-09-27 2005-07-20 Agfa-Gevaert AG Imaging device to image an extended object
US6963682B2 (en) * 2002-03-04 2005-11-08 Corning Incorporated Beam altering fiber lens device and method of manufacture
KR100624410B1 (en) * 2003-06-20 2006-09-18 삼성전자주식회사 Objective optical system employing GRIN lens
GB2416041A (en) * 2004-07-08 2006-01-11 Innovium Res Ltd Optical device for the transmission and/or collection of optical signals
US20070002922A1 (en) * 2005-06-30 2007-01-04 Intel Corporation Retro-reflecting lens for external cavity optics
US20090219606A1 (en) * 2008-03-03 2009-09-03 General Electric Company Device and method
US9293197B2 (en) 2011-08-15 2016-03-22 Lockheed Martin Corporation Reconfigurable phase change material masks for electro-optical compressive sensing
US9340446B1 (en) 2013-02-04 2016-05-17 Lockheed Martin Corporation Optical apparatus and method of forming a gradient index device
US10437083B1 (en) 2014-10-20 2019-10-08 Lockheed Martin Corporation Individually addressable infrared mask array
US9969647B2 (en) 2016-05-17 2018-05-15 Lockheed Martin Energy, Llc Glass composites having a gradient index of refraction and methods for production thereof
US9908808B1 (en) 2016-08-18 2018-03-06 Lockheed Martin Corporation Ternary glass materials with low refractive index variability
US10969560B2 (en) 2017-05-04 2021-04-06 Lightpath Technologies, Inc. Integrated optical assembly and manufacturing the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5041559A (en) * 1973-08-02 1975-04-16
US4929065A (en) * 1988-11-03 1990-05-29 Isotec Partners, Ltd. Glass plate fusion for macro-gradient refractive index materials

Also Published As

Publication number Publication date
TW347474B (en) 1998-12-11
US5796525A (en) 1998-08-18
WO1998019187A1 (en) 1998-05-07
KR100295535B1 (en) 2001-08-07
JP2001503532A (en) 2001-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5541774A (en) Segmented axial gradient lens
KR102107159B1 (en) Manual aligned single element telescope for improved package brightness
KR100295535B1 (en) Quadaxial gradient index lens
US5703722A (en) Segmented axial gradinet array lens
US7068883B2 (en) Symmetric, bi-aspheric lens for use in optical fiber collimator assemblies
US6438290B1 (en) Micro-aspheric collimator lens
US20020021868A1 (en) Collimators and collimator arrays employing ellipsoidal solid immersion lenses
US5323268A (en) Compound lens
EP1233291A2 (en) Optical fiber coupling system using collimating lenses
KR100295549B1 (en) Axially-graded index-based couplers
JPH04274201A (en) Lens array
JP2001305376A (en) Method for designing collimator array device and collimator array device manufactured by the method
US5953162A (en) Segmented GRIN anamorphic lens
Gloeckner et al. Micro-opto-mechanical beam defectors
EP0723672B1 (en) Wide angle objective system
US7561768B2 (en) Optical branching device
US6853767B1 (en) Methods for manufacturing optical coupling elements
JP2002107566A (en) Optical functional module
JPH04284401A (en) Microlens and microlens array
US6687449B2 (en) Optical waveguide element, a three-dimensional optical waveguide circuit and optical system
RU2114451C1 (en) Telescopic gradient lens
RU2064192C1 (en) Optical element
JP3306793B2 (en) Imaging element
Goering et al. Gradient index microlenses for laser diode applications
Oikawa et al. Light coupling characteristics of a planar microlens

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20050408

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee